CN101201631A - 用于辅助惯性导航系统的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于辅助惯性导航系统(INS)的系统和方法包括输出与器械相关联的INS位置信息并根据该器械的位置信息与器械的所需位置的比较来调节该器械。INS使用由卡尔曼滤波器根据来自诸如扇形激光器、自动全站仪(ATS)、GNSS接收机、或地面无线电定位系统等一个或多个定位(或测量)设备的位置信息生成的误差估计被定期地重新初始化以校正由INS的固有特性引起的位置信息的漂移。

Description

用于辅助惯性导航系统的系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及用于为惯性导航系统提供位置信息的系统和方法。
背景技术
诸如推土机、轮式装载机等运土机械及其它运土设备可根据预定计划改变工地的地貌。预定计划可指定工地的某些尺寸和规格，而运土机械则可以相应地改变这些地貌。预定计划可能需要通过运土机械来完成这些工作，例如为工地覆盖上特定材料、从工地挖掘材料、或将工地的土地切成精细的预定轮廓。这些机械可以有执行这些操作的器械(例如，推土铲)。
运土机械可包含帮助操作员执行工地任务的设备。其中一种这样的设备是有关被配置成间歇地接收机械相对于地面的水平位置(或方位)和垂直位置(或仰角)的定位设备的。使用该接收到的信息，机械可用自动控制器(例如，自动器械控制系统)将器械调节到所需高度。例如，该自动执行控制器可根据检测到的该机械的仰角(例如，垂直位置)与铲具的目标高度(例如，取决于预定计划的所需垂直位置)之间的差异向上或向下移动推土机上的铲具。如果预定计划指定例如地面的仰角应为某一水平，则铲具可向下移动以使地面降到该水平或向上移动以用材料将地面覆盖高至该水平。
目前，可使用若干不同技术来检测诸如铲具的高度(或垂直位置)等位置信息。其中一种这样的技术涉及接收来自诸如全球定位系统(GPS)、全球轨道导航卫星系统(GLONASS)或总之来自任意全球导航卫星系统(GNSS)等卫星定位系统的位置信息。卫星定位系统包括卫星群并需要位于运土机械上的卫星定位接收机。卫星定位接收机可以0.1至100Hz、实际操作中以10Hz或20Hz的速率接收来自卫星定位系统的位置信息。
另一定位设备是机器人全站仪或自动全站仪(ATS)。ATS包括远程确定器械的位置并将信号发送到该机械上所设的接收机以调节器械位置的设备。
ATS的这种设备使用伺服电机来跟踪机械并使用角度编码器来测量相对于地面(x和y坐标)的水平面以及相对于地面的仰角轴(z轴)中的角度。该设备还包括向机械上所设的棱镜或反射表面发送可见激光束或红外光的电子测距仪。光然后被反射回该设备，进而由该设备计算机械与其之间的距离。使用已知的ATS的位置、测得的角度和测得的距离，可确定机械的位置信息。一般而言，ATC在绕工地移动时锁定至该目标并根据需要不断地更新被用来调节该器械的机械的位置信息。目前该设备可以高达6Hz的速率更新。
另一定位设备是旋转激光器，它以例如600RPM的速率旋转激光束以在工地的表面上方形成光学基准平面。该光学基准平面可以被定向为垂直、水平或在相对于工地表面的一或两个方向上呈已知斜度。通常设在运土机械上的光电检测器设备以例如每100ms一次的速率接收由激光器发射的光，响应于此生成定位信号。一个处理器然后根据该定位信号控制器械的高度。
另一定位设备是扇形激光器，它以例如例如3000RPM的速率旋转一个或多个扇形激光束以使得接收机确定垂直角或工地表面上方仰角差异。通常设在运土机械上的光电检测器设备以例如20ms一次的速率接收由激光器发射的光并响应于此生成定位信号。处理器然后根据该定位信号控制器械的高度。美国申请No.U.S.2004/0125365A1中对扇形激光器的一个示例进行了说明，这将在下文作更具体的讨论。
另一类型的定位设备是惯性导航系统(INS)，它以例如每秒大于100次的速率确定运土机械的位置和姿态(attitude)信息。INS可使用包括一组测量6个自由度——3个线性自由度(诸如空间中的x、y、和z轴)和诸如俯仰(pitch)、偏移(yaw)和翻滚(roll)3个旋转自由度的传感器的惯性测量单元(IMU)。线性自由度指定位置，而旋转自由度指定姿态。
IMU通常包括用于确定位置的3个线性加速计和用于确定姿态的3个速率陀螺仪。根据对位置和姿态的测量，诸如模拟电路或微控制器等计算单元可确定该运土机械的位置和姿态信息。在数学上，位置信息可通过对由加速计得到的一系列加速度值积分两次来迅速地确定，而姿态信息可通过对从速率陀螺仪输出的一系列速率测量值积分一次来确定。
每个加速计和速率陀螺仪读取通常包括在积分过程中被累加的相对小量的噪声。因此所计算出的位置和姿态信息并不精确，但可以在给定的误差度之内获知。然而，INS确定器械的位置并根据位置和姿态信息更新该机械当前的位置和姿态。因此，虽然可以在可接收的误差余量内得到姿态和位置信息，但是这种信息中的误差或者被称为“漂移”会随时间累积为一个不可接受的量。然而在工地上，要求长时间地准确机械位置信息。因此，通常并不单独使用INS系统来确定运土机械的位置。
通常，在执行运土功能时，运土机械可使用GPS、ATS、扇形激光器、或平面激光定位设备中的一种。例如，可在运土机械上设置GPS定位设备来确定该机械的位置和仰角信息。虽然可以准确地获得位置信息，然而仰角信息却很不准确。相应地，如在上述Ohtomo等人的美国专利公报No.U.S.2004/0125365A1中所公开的，GPS和激光系统被加以组合以提供准确的仰角和位置信息。
特别地，Ohtomo等人公开了一种包括扇形激光器和接收从该旋转激光器设备发射的激光束的光电检测传感器的位置测量系统。该光电检测传感器可被设于运土机械上，并响应于来自旋转激光器设备的光可确定该机械的仰角信息。因此，在Ohtomo等人的专利文献中，旋转激光器系统提供了比GPS系统更准确的仰角信息。运土机械还可包括用于接收确定位置或水平位置的数据的GPS接收机。另外，位置或水平信息是根据接收到的GPS数据得到的。
然而，在Ohtomo等人的专利文献中所公开的经组合的GPS和扇形激光器系统生成位置和仰角信息的频率比自动实时控制诸如铲具等切割器械所需的频率低。相应地，需要一种能够以更大频率并在GPS信号或激光信号中两者之一或两者都被阻塞期间生成准确位置和仰角信息的位置监视系统。
所公开的系统针对克服现有技术中的一个或多个缺点。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种用于自动调节器械的系统。该系统包括：惯性导航系统，被配置成输出与该器械相关联的第一位置信息；以及处理器，被配置成将该第一位置信息与所需的处置位置相比较并响应于此生成比较信号。还设置了被配置成根据该比较信号调节该器械的阀控制器。该系统还包括被耦合至惯性导航系统并被配置成向惯性导航系统输出第二位置信息的测量设备。惯性导航系统根据该测量设备而被定期地重新设置以基于根据第一位置信息和第二位置信息生成的误差估计调整第一位置信息。
根据另一方面，提供了一种用于自动调节用于运土机械的器械的方法。该方法包括从惯性导航系统接收第一信号。来自惯性导航系统的信号表示第一位置信息。该方法还包括根据该第一信号计算位置并将该位置与所需位置相比较。该方法还包括发送表示该比较结果的第二信号并根据该第二信号调节器械。另外，该方法包括根据误差估计将惯性导航系统的第一位置信息设置为从定位设备输出的第二位置信息。
附图说明
图1示出了可包括所公开的系统的各方面的运土机械。
图2示出了一个示例性自动器械控制系统
图3是示出了根据一个示例性实施例的用于辅助惯性导航系统的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了运土机械100，包括液压机构102和103、器械104、传感器106、杆108、INS 107、以及接收机110。虽然所公开的实施例是履带式拖拉机，但可以理解的是所公开的系统可广泛地应用到各种移动机械上。
当机械100在工地上工作时，液压机构102和103可操作用于指挥器械104，例如可以是铲具的运动。例如，可包括升举致动器的液压机构102在上下位置之间移动器械104。另外，可包括倾斜致动器的液压机构103将器械104向前和向后倾斜。液压机构102和103可根据从机械100内的内部设备(未示出)提供的电信号操作。例如，电信号可促使液压机构102上下移动，而其它电信号可使液压机构103前后移动。
接收机110可接收与其位置(即，相对于地球的具体位置)有关的信号，并可被设置于杆108上以接收与GPS、GLONASS或GNSS相关联的一个或多个卫星的信号。该位置可包括接收机110的水平位置和垂直位置。由于已知接收机110与INS 107以及器械104之间的相对位置，所以可计算出器械104的位置。特别地，如下文将更为具体地解释的，该位置可根据使用位置处理单元的INS 107计算得出。
在图1中，INS 107被示为位于器械104上，然而需要注意的是，INS 107的传感器可被设于器械104之上并且INS 107还可包括如关于图2进一步解释的控制处理器(例如，计算机)。该控制处理单元处理来自所示的位于器械104上的传感器的信息以及来自其它源的信息。
同时，在另一实施例中，位置传感器可被设于液压机构102和/103之上或之中，或可设有运土机械的其它区域之上或之中。该位置传感器可被用于例如通过使用位置传感器与器械之间的已知距离和/或使用传感器测量传感器与器械之间的角度来确定器械的位置。
传感器106可被设于杆108上。传感器106也从诸如平面激光器、扇形激光器或自动全站仪(ATS)等其它定位设备接收携带有位置信息的信号。定位设备还可被称为测量设备。这些定位设备可以与工地的勘测设备结合使用。传感器106可任选地设置在运土机械的其它位置上。
虽然可使用由接收机110恢复的GNSS信号来计算位置，但根据GNSS信号确定的垂直位置可用从旋转激光器、扇形激光器、ATS、地面无线电测距系统或其它定位设备中的一个或多个计算出的垂直位置信息来替换。GNSS位置的垂直部分可被替换是因为根据GNSS信号计算出的垂直位置可能会没有通过计算来自上述其它定位设备中的一种的位置信息准确。在一个实施例中，垂直位置信息的替换可发生在INS 107和/或接收机110中。
替换从GNSS接收机推导出的垂直位置的一种备选方案是在计算中将来自诸如GNSS测量结果、平面或扇形激光器测量结果和/或ATS测量结果等来自外部测量系统的测量结果组合起来以对这些结果适当地加权并确定一综合的位置解。该综合位置解被提供给INS。
第三个备选方案是在单个计算过程中将该这些外部测量结果与惯性测量结果组合以确定尽可能最佳的位置。
因此，使用接收机110、传感器106、和/或其它传感器，包括水平位置和垂直位置的器械104的位置可被确定。
使用该合成位置(一个位置例如来自由接收机110接收的GNSS以及任选地一个位置例如来自扇形激光器或旋转激光器)，机械100可根据预定计划对工地进行改动。例如，可能会需要机械100将工地的地表面降到预定高度或将工地覆盖特定材料使其至预定高度。操作员可使用机械100的控制面板上的显示器设备查看位置并手动地将器械104的位置调节到符合预定计划的垂直位置。
机械100还可使用自动器械控制系统200(见图2)自动地调节器械104。自动器械控制系统200通过将器械104的垂直位置与所需高度(即，根据预定计划的高度)相比较以自动地调节器械104。自动器械控制系统200将在下面进行更具体的说明。
自动控制系统200包括用于确定机械100的垂直位置或仰角信息的控制计算机302。
计算机302可包括卡尔曼滤波器309、INS 310、以及机械控制处理器311。仰角信息被送入可包括诸如EPROM、RAM或其它存储器设备的存储器单元的机械控制处理器311。处理器311可存储对应于预定计划的所需仰角数据。处理器311可检索该所需仰角数据并将其与所接收到的仰角信息进行比较。根据该比较，一输出信号被提供给阀控制器202，阀控制器202进而将适当的控制信号提供给液压机构102和103。响应于该控制信号，液压机构102和103进行释放或接收液压流体由此张开或缩回其上所设的圆柱。从而器械104的位置可被改至所需高度。
如前所述，INS 310可接收来自例如IMU 307等IMU 307的位置和姿态测量结果。另外，卡尔曼滤波器309接收来自可包括ATS传感器304、平面激光器305、扇形激光器306、地面无线电测距系统传感器312、以及GNSS 308在内的一个或多个源的测量结果/位置数据。一般而言，卡尔曼滤波器309是本领域所公知的，并且是可使用来自诸如ATS传感器304、平面激光器305、扇形激光器306、地面无线电测距系统传感器312、以及GNSS 308等辅助源的测量结果对惯性导航系统(例如，INS 310)中的误差进行校正的递归、线性滤波器。例如，卡尔曼滤波器309接收来自辅助源的绝对测量结果和来自INS 310的当前位置。根据这两个位置或测量结果集中的差异，一误差估计被发送到INS 310。INS 310使用该误差估计对INS位置作适当的改动。经过适当的改动(根据该误差估计对INS位置作加法或减法)之后，确定一个经校正的位置并将其发送到处理器310。因此，INS 310的位置通过卡尔曼滤波器309所发送的误差估计根据辅助源被有效地重新设置或重新初始化。如上所述，取决于该经过校正的位置是否与预定的工地计划相一致，处理器311根据需要将适当的信号发送到阀控制器202以移动器械104。
因此，本公开提供了以每秒100次以上的速率即INS 310的计算循环时间根据来自INS的位置计算将铲具控制到一更新位置。相比于以例如每秒10次左右的速率更新铲具的位置的其它定位系统，由于铲具位置的更新更加频繁，所以本公开允许对铲具进行更加准确的控制。
同时，来自INS 310的仰角和/或位置信息可被与从ATS传感器304、平面激光器305、扇形激光器306、地面无线电测距系统传感器312、以及GNSS接收机308中的一个或多个接收到的仰角和/或位置信息相比较以确定来自INS 310仰角和/或位置信息中是否存在不可接受的误差(“过失误差”)。如果存在过失误差，则计算机302可重新设置INS 310的仰角信息、关闭机械、或警告操作员该过失误差。类似地，INS位置还可被用于确定定位设备中的一个或多个是否具有“过失误差”。
工业实用性
现在参照自动器械控制系统200的操作，图3示出了根据本公开的一个示例性实施例的方法的流程图400。
在步骤402，自动控制系统(例如，系统200)根据由例如IMU 307等传感器生成的信息确定具有该自动控制系统的运土机械的垂直和/水平位置。该位置可以例如100 Hz的速率从INS接收。另外，INS的误差可通过由卡尔曼滤波器检查来自诸如激光器、扇形激光器、GNSS、和ATS等其它外部测量和/或定位设备的输入进行约束。INS的位置可通过使用由如上所述地接收来自外部定位设备的绝对位置、或者接收绝对测量结果再通过合成来自一个或多个外部设备的测量结果确定绝对位置的卡尔曼滤波器所提供的INS的实际位置的误差估计来重新设置。
在步骤403，任选地确定是否存在过失误差。可执行一附加的故障保险测试以确定向卡尔曼滤波器提供信息的一个或多个辅助源(即，外部测量和/或定位设备)是否正提供错误位置。有时候来自辅助源中一个或多个的信息会被阻塞，因此计算机302将传送根据从IMU 107接收到的信号的解。如果正由辅助源中的一个或多个发送到卡尔曼滤波器的信息中存在错误位置或“过失误差”，则控制计算机可继续传送基于来自IMU的信号的位置计算、关闭机械、或警告操作员该过失误差。
在步骤404，使用所存储的指示器械的所需垂直位置的信息，机械内部的电路(例如，处理器311)将器械的所需垂直位置与根据INS 310的计算出的垂直位置(经校正的位置)相比较。一基于该比较的控制信号被输出的自动控制系统中的阀控制器(例如，阀控制器202)。
在步骤406，阀控制器响应于该控制信号根据需要将器械自动调节到所需高度或位置。
方法400还可通过关于图1-2所述的电路和单元在运土机械中实现。本公开的一个优点是由于INS可比其它定位设备更加频繁地提供位置信息所以可根据更为准确的位置数据来调节器械。INS不会有不受控制的漂移这一缺点，因为它在漂移量变得不可接受之前会根据诸如平面激光器、扇形激光器、ATS、地面无线电测距系统或GNSS等其它定位设备被定期地重新设置。因此，本公开提供了一种利用INS的动态跟踪能力和平面激光器、扇形激光器、ATS、地面无线电测距系统或GNSS的位置信息的准确性的系统。
另外，在平面激光器、扇形激光器、ATS、地面无线电测距系统的短暂的运行中断期间，例如在另一机械阻塞了信号路径或该机械在诸如大树等障碍物下面穿过时，由于INS继续传送位置数据并且在该短暂中断期间漂移量较小，所以仍可获得准确的位置。在可能有GNSS的间歇中断的情形中，来自例如旋转或扇形激光器的位置信息的可用性可被用于约束INS的漂移。
另一优点包括系统具有冗余定位以使得能够进行误差检测并在该误差检测确定出现过失误差时安全关闭所有机械或警告操作员。具体地，INS可被配置成检测从多个定位设备接收的信号以确定位置信息中是否已出现过失误差。
根据对说明书的考虑和在此所公开的本发明的实践，本发明的其它实施例对本领域的技术人员是显而易见的。该说明书和示例旨在仅被考虑为示例性，而本发明的真正范围和精神实质由所附权利要求指示。

Claims (21)

1.一种用于自动调节器械的系统，包括：
惯性导航系统，配置用以输出与所述器械相关联的第一位置信息；
处理器，配置用以将所述第一位置信息与希望位置相比较，并响应于此生成比较信号；以及
阀控制器，配置用以根据所述比较信号调节所述器械；
测量设备，耦合至所述惯性导航系统，配置用以向所述惯性导航系统输出第二位置信息；
其中，所述惯性导航系统从所述测量设备定期地重新设置，用以基于根据所述第一位置信息和所述第二位置信息生成的误差估计修改所述第一位置信息。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量设备是从平面激光器、扇形激光器、自动全站仪、地面无线电测距系统、以及全球导航卫星系统(GNSS)的组中选择的。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二位置信息包括水平位置。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二位置信息包括垂直位置。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，一位置处理单元配置用以根据由全球导航卫星系统(GNSS)接收到的信息计算所述器械相对于工地表面的水平位置。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，一位置处理单元配置用以根据由全球导航卫星系统(GNSS)接收到的信息计算所述器械相对于工地表面的垂直位置。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器配置用以存储所述希望位置，并且所述比较器进一步配置用以访问存储器单元。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括液压机构，其中所述阀控制器配置用以向所述液压机构提供控制信号，所述液压机构响应于所述控制信号致动。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，传感器接收用于计算所述第一位置信息的信号。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括配置用以从全球导航卫星系统接收指示机械的位置的信号的接收机。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，卡尔曼滤波器配置用以确定所述误差估计。
12.一种用于自动调节运土机械的器械的方法，所述方法包括：
接收来自惯性导航系统的第一信号，所述来自惯性导航系统的信号表示第一位置信息；
根据所述第一信号计算位置；
将所述位置与希望位置相比较；
发送表示所述比较的结果的第二信号；
根据所述第二信号调节所述器械；以及
根据误差估计，将所述惯性导航系统的所述第一位置信息设置为从定位设备输出的第二位置信息。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述设置包括根据所述误差估计定期地用所述第二位置信息更新所述第一位置信息，其中所述定位设备是从平面激光器、扇形激光器、自动全站仪、地面无线电测距系统、以及全球导航卫星系统(GNSS)的组中选择的。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一位置信息还包括根据相对于工地表面的位置的水平位置。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一位置信息还包括根据相对于工地表面的位置的垂直位置。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括根据由所述全球导航卫星系统(GNSS)接收的信息计算所述器械相对于工地表面的水平位置。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括根据由所述全球导航卫星系统(GNSS)接收的信息计算所述器械相对于工地表面的垂直位置。
18.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括从控制处理器检索所述希望位置。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述调节器械包括将控制信号发送到耦合至所述器械的一个或多个液压机构。
20.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述接收包括用传感器接收与所述第一位置信息相关联的所述第一信号。
21.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括从所述GNSS系统接收指示相对于工地表面的位置的信号。
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